Содержание к диссертации
Введение
1 Лазерный метод генерации инфра- и ультразвука 10
1.1 Лазеры в акустике 10
1.2 Импульсно-периодические лазеры и их применения 13
1.3 Механизм объединения волн, создаваемых оптическим пульсирующим разрядом в газе 16
1.4 Традиционные методы генерации мощного ультразвука и инфразвука в газах 23
1.5 Перспективы создания мощных импульсно-периодических лазеров 30
2 Механизм объединения ударных волн, создаваемых при облучении мишени широкоапертурными лазерными импульсами 45
2.1 Лабораторное моделирование взаимодействия широкоапертур-ного импульсно-периодического лазерного излучения с мишенями из разных материалов 46
2.2 Калибровка датчиков давления в ударных волнах 49
2.3 Критерии механизма объединения ударных волн, создаваемых при облучении мишени широкоапертурным импульсно-периодическим излучением 56
3 Влияние параметров лазерного излучения и материала мишени на эффективность формирования ударных волн оптическим пульсирующим разрядом 64
3.1 Порог оптического пробоя. Механизм и зависимость от параметров лазерного излучения 65
3.2 Влияние параметров лазерного излучения на эффективность формирования ударных волн при облучении мишени из различных материалов 72
3.3 Оценка параметров импульсно-периодического излучения, удовлетворяющих проявлению механизма объединения ударных волн при дистанционном широкоапертурном облучении мишени 76
4 Исследование спектра ударных волн, создаваемых оптическим пульсирующим разрядом 83
4.1 Граничные безразмерные частоты 83
4.2 Спектр звука при низкой частоте повторения лазерных импульсов 88
4.3 Экспериментальное подтверждение граничных частот 93
4.4 Управление спектром звука, создаваемого оптическим пульсирующим разрядом 98
Заключение 105
Список литературы
- Механизм объединения волн, создаваемых оптическим пульсирующим разрядом в газе
- Калибровка датчиков давления в ударных волнах
- Влияние параметров лазерного излучения на эффективность формирования ударных волн при облучении мишени из различных материалов
- Экспериментальное подтверждение граничных частот
Механизм объединения волн, создаваемых оптическим пульсирующим разрядом в газе
Импульсно-периодическое лазерное излучение с высокой частотой повторения ( 100 кГц) является перспективным инструментом во многих областях науки и техники. Особый интерес представляют лазеры с высокой средней мощностью, пиковая мощность которых превосходит среднюю в десятки и сотни раз. Это позволяет создавать оптический пульсирующий разряд на большом расстоянии от лазера.
В работе [10] описан метод, основанный на использовании самофильтрующего резонатора (конфокальный резонатор, состоящий из двух софокусных сферических зеркал разной кривизны, в общей фокальной плоскости которых расположено кольцевое выходное зеркало с отверстием связи, который из-за высоких потерь высших мод надежно выделяет низшую). Блок модуляции CO2-лазера собран на основе сферических зеркал и вращающегося диска, получен стабильный ИП режим генерации со средней мощностью до 3 кВт. В работе [39] описан аналогичный лазер с самофильтрующим резонатором, но основанный на применении во внутрирезонаторном модуляторе двух вогнутых цилиндрических зеркал равной кривизны, что позволяет снизить время включения добротности (время открывания пучка затвором) и получить мощный лидирующий пик в импульсе излучения при средней мощности до 5 кВт без воздействия излучения на диафрагму модулятора. Импульсная мощность лазера превышает 200 кВт.
В [11] предложен метод модуляции коэффициента усиления активной среды мощных лазеров путем самоинжекции модулированной части выходного излучения в неустойчивый резонатор без снижения средней мощности по сравнению с непрерывным режимом. Метод применим для получения ИП излучения со средней мощностью 100 кВт, ограничение связано с оптическим пробоем в модуляторе. Экспериментально получена модуляция с длительностью импульса 200 нс - 1 мкс с пиковой мощностью более 100 кВт и средней мощностью 10 кВт.
Оптический пульсирующий разряд — совокупность лазерных искр, создаваемых импульсно-периодическим лазерным излучением, причем плазменное облако таких искр не успевает распадаться за время паузы между искрами. Лазерная искра образуется в газе, когда плотность потока лазерного излучения превышает пороговое значение, зависящее от длины волны, длительности импульсов, сорта газа. При длительности импульсов, меньшей времени теплового расширения плазмы, искра является аналогом микровзрыва. Последовательных оптических пробоев создает цуг ударных волн, которые при высокой частоте взаимодействуют между собой, формируя единую волну повышенного давления. Устойчивый ОПР, стационарно горящий в потоке был впервые получен в 1992 году [9,40–43], в рамках Государственной программы «Планета», где изучалась применимость лазерного излучения для управления полетом тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью. ОПР создавался излучением CO2-лазера [10] с частотой повторения импульсов до 50 кГц при средней мощности ОПР до 1 кВт и длительности импульсов 1 мкс. ОПР горел при скоростях газового потока до 450 м/с в фокальной области луча. Показано, что при частоте 50 кГц ОПР, горящий перед моделью тела, находящегося в сверхзвуковом потоке газа, способен снижать аэродинамическое сопротивление в 2 раза. В работе [39] продемонстрирована возможность зажигания ОПР в сверхзвуковом потоке воздуха для широкого диапазона газодинамических характеристик.
ОПР перспективен в лазерно-плазменных технологиях синтеза нанострук-турированных материалов и покрытий [15, 44]: синтеза сверхтвердых BCN и SiCN, углеродных покрытий, а также для модификации поверхности чу-гунов и сталей. В совокупности с молекулярно-пучковыми технологиями и наноструктурной модификацией полупроводниковых гетеросистем возможно создание нанокомпозиций с многозонной структурой для высокоэффективных (КПД 60%) фотоэлектических преобразователей солнечных батарей, а в перспективе и для альтернативной энергетики.
ОПР представляет интерес для решения проблемы создания протяженного проводящего плазменного канала. При частотах ИП излучения 20 – 100 кГц плазма искр не успевает распадаться за время 1/, а значит, если ОПР будет двигаться с высокой скоростью, то образуется канал. Создание плазменного канала актуально, например, в задачах лазерной молниезащиты и управления молнией, создании плазменного волновода, а также для передачи энергии [45– 47].
При помощи ОПР и МОВ возможно создание лазерно-реактивного двигателя (ЛРД) [48–51]. МОВ преобразует лазерное излучение в плоскую квазистационарную волну, которая способна создавать постоянную силу тяги космического аппарата, уменьшить термическое и ударное воздействие на рефлектор и экранировку излучения лазерной плазмой. В работе [50] экспериментально получено отношение силы тяги к мощности лазерного излучения (коэффициент связи) 1 кН/МВт и показано, что коэффициент связи может достигать 3-5 кН/МВт, что в 10 превышает типичные значения для лазерного двигателя ( 0,3 кН/МВт), полученные без использования МОВ.
Также ОПР и МОВ перспективны для генерации низкочастотного звука и ультразвука [16,17,19,52–54] в газе. МОВ и его критерии доказаны для газов, а также для плазмы с магнитным полем [18, 55, 56], где формируется квазистационарные волны, движущиеся вдоль магнитного поля в узкой силовой трубке.
Калибровка датчиков давления в ударных волнах
Для исследования формирования и взаимодействия ударных волн, создаваемых в результате облучения мишени использовалась экспериментальная установка, схема которой изображена на рисунке 2.1. Излучение двух CO2-лазеров (условно Л1 и Л2) с длиной волны 10,6 мкм подводилось к мишени под прямым углом через линзу с фокусным расстоянием 120 см. Мишень располагалась на расстоянии 60–100 см от линзы. Центры лучей были совмещены на мишени. Длительность лазерных импульсов, форма которых представлена на рисунке 2.2, составляла 1 мкс. Для Л1 второй пик объясняется усилением излучения, отраженного от плазмы пробоя. Для Л2 при помощи оптического резонатора и состава рабочей смеси получена нестандартная форма импульса.
Площадь облучения варьировалась от 2 до 38 см2, в зависимости от расстояния между мишенью и линзой. Мишень — диск толщиной 3-25 мм. Диаметр диска 50 см — больше зоны облучения и расстояния от мишени до датчика давления. Для визуализации градиентов плотности использовался теневой метод [98]. Теневые снимки получены сотрудниками ИТПМ СО РАН (Павловым А.А., Павловым Ал.А., Голубевым М.П.) в рамках выполнения проектов РФФИ (руководитель — Тищенко В.Н.). Длина волны зондирующего лазерного излучения = 0,63 мкм, время экспозиции равнялось 2 мкс. Диаметр оптического пучка составлял 15 см, его ось смещена на 6 см от поверхности мишени. Избыточное давление в УВ измерялось датчиком, расположенным на расстоянии = 27 см от центра облучения и 23 см от поверхности. На таком расстоянии форма УВ близка к полусферической. Значение приблизительно равно динамическому радиусу плазмы оптического пробоя. Это позволяло определить энергию УВ с использованием одного датчика, измеряющего давление УВ в одной точке.
Рассматривался набор широко распространенных материалов: металлы (сталь, серебро, титан) и диэлектрики (стекло, оргстекло, капролон). Оргстекло и капролон — органические соединения. Серебро и титан имеют характеристики — полярные по отражению излучения и теплопроводности, сталь — промежуточный случай. Стекло, в отличие от капролона, поглощает излучение в тонком слое, энергия на испарение много больше, чем для оргстекла или ка-пролона. Исследования этих материалов, со столь разными характеристиками позволяет обобщить результаты на широкий класс мишеней.
Облучение металлов сопровождается оптическим пробоем, если больше порогового значения 1-3 Дж/см2, зависящего от материала мишени, формы импульсов, частоты их повторения. Плазма локализована вблизи поверхности на масштабе нескольких сантиметров. Предельное значение 10 Дж/см2 ограничено оптическим пробоем на аэрозоле, что может ослаблять ИП излучение на длинных трассах. Рисунок 2.3 иллюстрирует фотоснимки свечения оптического пробоя на серебре и оргстекле. Здесь представлены наиболее интересные проявления свойств материала.
Серебро сильно отражает излучение от поверхности. При сравнительно невысоких значения отраженное излучение создает оптический пробой на аэрозолях. Фокус отраженного луча находится на расстоянии 30 см от поверхности в крайней нижней точке свечения. Отличительной особенностью оргстекла является формирование светящегося облака, которое, как правило, оторвано от поверхности мишени. Свечение появляется с задержкой 2 мс относительно лазерного импульса и длится до 20 мс. Здесь наблюдалось окисление и горение паров мишени на воздухе. Энергия ударной волны вычислялась по формуле (2.1) [99].
Датчик находится на большом расстоянии от мишени, при котором площадь волнового фронта является полусферой = 22, а также выполнены условия, при которых оптический пробой можно считать точечным (см. ниже). Таким образом, если учесть, что () = (), где — калибровочный коэффициент датчика давления, получаем результирующую расчетную формулу (2.2). где для атмосферного воздуха = 1,29 кг/м3, = 340 м/с; = 2,7 атм/В. Эффективность преобразования лазерного излучения в звук (КПД) будем рассчитывать по формуле (2.3).
Влияние параметров лазерного излучения на эффективность формирования ударных волн при облучении мишени из различных материалов
Использование основного критерия проявления МОВ для оценки параметров ИП излучения, при которых на мишени горит ОПР и действует МОВ. Для простоты пренебрегаем влиянием атмосферы на прохождение ИП излучения. На рисунке 3.7 изображена схема дистанционной генерации звука: лазерное излучение фокусируется на мишень, которая находится на большом расстоянии (сотни метров) от лазера. В фокусе мишени загорается ОПР, который, при выполнении критериев МОВ, создает квазистационарую волну, распространяющуюся в окружающую среду.
Для расчета пороговых энергий лазерных импульсов необходимо определить зависимость размера пятна, в которое фокусируется луч, от расстояния. Минимальный размер пятна, определяется дифракцией. Однако достичь обусловленного дифракцией предела чаще всего не удается вследствие не идеальности оптической системы, влияния рассеяния на аэрозолях и неоднород-ностях атмосферы.
В ближней зоне распределение интенсивности в луче такое же, как и на выходной апертуре лазера. Оно повторяет модовую структуру. В случае гаус 77 сова пучка эти условия сохраняются на расстояниях порядка 2/ по оси пучка, где — диаметр выходной апертуры лазера, а — его длина волны. На больших расстояниях пучок расширяется вследствие дифракции. С увеличением расстояния четкие картины распределения интенсивности в ближней зоне размываются за счет дифракционных эффектов, а угол распространения приближается к величине порядка /.
Важное свойство гауссовых пучков заключается в том, что они обладают одинаковыми распределениями интенсивности в обеих зонах — в ближней и в дальней. Кроме того, гауссовы пучки синфазны, т. е. имеют одну и ту же фазу по всему волновому фронту. Преимущество синфазных пучков состоит в том, что их можно сфокусировать до минимального возможного размера, равного = / [106], где — фокусное расстояние линзы, — ее диаметр, а — длина волны излучения. С учетом того, что современные мощные лазеры не обладают идеальными характеристиками качества луча (для определенности возьмем 3 дифракционных предела [80]), зависимость диаметра пятна на мишени от расстояния до нее (мишень находится в фокусе линзы) будет иметь вид (3.2).
Диаметр линзы 1 м выбран для оценок, как предельное значение с точки зрения изготовления и применения. Длины волн для оценок выберем в соответствии с возможностью практической реализации. Так, на данный момент наиболее перспективными с точки зрения компактности, мобильности, КПД, являются твердотельные и волоконные лазеры на ионах Nd, поэтому выберем длину волны 1,06 мкм. Лабораторные исследования в данной работе проводились на стендах с CO2-лазерами — 10,6 мкм.
На рисунке 3.8 изображена зависимость (3.2) диаметра пятна от расстояния до мишени для разных длин волн. Зависимость размера пятна от длины . Зависимости диаметра пятна от расстояния до мишени для разных длин волн волны и от размеров линзы — линейная. И для лучшей фокусировки длина волны 1,06 мкм подходит больше, чем 10,6 мкм. Так, при помощи линзы диаметром 50 см длину волны 1,06 мкм теоретически можно сфокусировать на расстоянии 10 км в пятно диаметром, несколько сантиметров.
Далее оценим энергетические и частотные параметры ИП лазерного излучения. Порог оптического пробоя воздуха для CO2-лазера (для импульса длительностью 1 мкс) 2-3 ГВт/см2. При облучении твердого тела порог снижается на 2 порядка [5]. Таким образом, порог пробоя для CO2-лазера с длительностью импульса 1 мкс на мишенях из разных материалов равен 2–3 Дж/см2. Для эффективного преобразования лазерного излучения в ударные волны оптимальна плотность энергии облучения 10 Дж/см2 (см. раздел 3.2).
Здесь — длительность лазерного импульса по полувысоте, — радиус облучаемого пятна на поверхности мишени, $ — порог образования плазмы. Величина о, так же, как и слабо зависит от давления и сорта газа. Это обусловлено инициированием пробоя в парах испаряемого излучением материала мишени. Но длина импульса у Nd:YAG лазера с модуляцией добротности составляет обычно несколько десятков наносекунд и не превышает 100 нс. Порог пробоя о зависит от длительности импульса как у. Для импульса CO2-лазера пробой происходит не позже чем 0,5 мкс, так как пик импульса находится в этом промежутке времени, а дальше импульс имеет протяженный хвост. Таким образом, для длины волны 1,06 мкм с длиной лазерного импульса в 100 нс порог составляет 25/51/2 - 12 Дж/см2. Найдем энергию лазерных импульсов , соответствующих превышению порога , если площадь облучения - . Учтем, что = и = 2/4:
На рисунке 3.9 представлена зависимость (3.4) для различных длин волн. В отсутствие поглощения излучения в атмосфере уменьшение длины волны позволяет существенно уменьшить энергию импульсов, необходимую для эффективного формирования ударных волн. Так, для того, чтобы создать пробой на расстоянии 10 км Nd:YAG лазером (размер линзы 1 м), необходимо 50 Дж, против 2 кДж для CO2-лазера.
Экспериментальное подтверждение граничных частот
Так как длительность фазы сжатия и полная длительность УВ увеличиваются по мере распространения УВ от источника, форма и ширина огибающей будет меняться с расстоянием. Например, длительность УВ в «ближней зоне» на расстоянии = 10: s/d 1,5, а в «дальней зоне» на расстоянии = 200: s/d « 2,2, то есть в 1,5 раза больше. Из свойств преобразования Фурье следует, что ширина спектра обратно-пропорциональна длительности сигнала [110], а значит с увеличением расстояния от источника до приемника спектр будет «сжиматься» в строну низких частот. Кроме того, ультразвуковые частоты сильно поглощаются в атмосфере, причем, чем больше частота, тем сильнее поглощение [59]. Например, при частоте звука в 50 кГц, при обычных атмосферных условиях коэффициент поглощения 1 дБ/м, а для 100 кГц уже 2 дБ/м. Поглощение ультразвука еще больше усиливает эффект «сжатия» спектра в сторону низких частот при удалении от источника.
Количество линий в спектре можно увеличить при помощи амплитудной модуляции лазерного излучения. На рисунке 4.7 изображены осциллограмма и спектр сигнала УВ: частота повторения УВ внутри цугов « 0,1 S, частота повторения цугов o = 0,01 S, количество УВ в цуге — 4. За счет амплитудной модуляции каждая линия спектра расщепляется на несколько линий (появляются боковые полосы). Дополнительные линии находятся на частотах ± o (в данном случае преобладают линии с = 1, остальные пренебрежимо малы), где и — натуральные числа. Кроме того, появляются гармоники частоты o, но их мощность пренебрежимо меньше мощности остальных частот (МОВ позволяет увеличить вклад данных линий в общую мощность звука). а) сигнал; б) спектр Таким образом, показано, что при спектр периодически повторяющихся УВ представлен большим количеством линий в широком диапазоне частот, заполняющих огибающую, которая является спектром одиночной УВ. Максимум огибающей находится на частоте . Количество линий в спектре определяется как отношение ширины спектра одиночной УВ к частоте повторения лазерных импульсов. Расстояние между линиями равно частоте повторения лазерных импульсов, а значит и УВ. По мере распространения волн от источника спектр акустического сигнала стремится в низкочастотную область из-за «расплывания» одиночных УВ, а также из-за поглощения ультразвука в атмосфере. Количество линий в спектре можно увеличить при помощи амплитудной модуляции.
В эксперименте использовался CO2-лазер [10], который генерировал импульсно-периодическое излучение со следующими параметрами: частота следования импульсов 3 – 180 кГц, длительность лазерных импульсов 1 мкс, средняя мощность до 2 кВт.
Резонатор лазера позволял генерировать пакеты (цуги) ИП излучения с частотой от нескольких герц до нескольких килогерц при помощи механического модулятора (вращающийся диск с отверстиями). Цуги оптических пробоев в результате теплового расширения плазмы создавали цуги ударных волн. В мишени возбуждались вибрации – лазерная искра является аналогом микровзрыва в газодинамическом отношении.
Сигнал давления УВ измерялся микрофоном и пьезодатчиком, калориметром измерялась средняя мощность ИП излучения. Кроме того регистрировались сигналы от падающего и прошедшего излучения, а также излучения плазмы ОПР.Для визуализации УВ и других неоднородностей использовалась теневая диагностика. Варьировалась частота повторения лазерных импульсов и расстояние от датчиков до ОПР.
На рисунках 4.8 и 4.9 показаны сигналы и спектры при частотах повторения лазерных импульсов = 3,4 кГц и = 15,3 кГц на расстоянии 30, что соответствует безразмерным частотам = 0,06 и = 0,29. В данном случае S, так как на безразмерном расстоянии 30, S = 0,77 - 1 0,55. Все линии являются гармониками частоты , т.е. расстояние между линиями равно . Максимум, в данном случае не соответствует S, это происходит, из-за того, что в мишени возбуждаются колебания и мишень также излучает звук (на осциллограммах сигналов виден «хвост» после основной УВ, сравнимый по амплитуде). Звук мишени накладывается на звук ОПР и спектр искажается.